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• Applications de l'azote

L'azote sert principalement à assurer la sécurité des procédés et à maintenir la qualité des produits. Une application typique est l’inertage des réservoirs de stockage. Au cours des périodes d'arrêt, il est possible d'inerter les compresseurs, pipelines et réacteurs pour prévenir toute dégradation du matériel. On peut également utiliser l'azote pour le transfert sous pression de produits entre des cuves de stockage, des unités ou des citernes de transport.

La distribution d'azote peut s'effectuer selon différents modes, notamment en bouteilles, en vrac sous forme liquide, au moyen d'unités de membranes sur site (Floxal™), d'unités cryogéniques sur site avec assistance (Floxal™, APSA™) et par gazoduc.

Les projets d'extension de capacité de matière première et le traitement de charges résiduaires dans les unités de craquage catalytique de fluides (ou FCCU) continuent à progresser. Le nombre de FCCU utilisant l'oxygène pour parvenir à ces objectifs est de plus de 25 dans le monde. Les raffineurs ont utilisé l'oxygène pour enrichir l'air de combustion du régénérateur de la FCCU jusqu'à un volume de 28 %. Cette technologie devrait déboucher sur une augmentation de capacité supérieure à 25 %, soit une augmentation de 10 % du résidu. Les modifications requises pour installer l'appareillage d'injection d'oxygène sont minimes et peuvent être exécutées au cours d'une rotation d'unités.

 

• Enrichissement en oxygène sur FCCU

La première application d'enrichissement en oxygène sur FCCU a commencé pour Air Liquide au début des années 1980.
Air Liquide s'est posé en leader dans la mise en œuvre avec succès de l'enrichissement en oxygène pour FCCU en fournissant les appareils essentiels de distribution et d'injection d'oxygène, une gestion efficace de la sécurité, des skids de débit efficaces et précis et des évaluations détaillées des procédés.

 

Le plus spectaculaire avantage de la mise en œuvre de l'enrichissement en oxygène pour FCCU réside dans l'augmentation de rentabilité sans avoir à stopper les installations pour effectuer les modifications. L'augmentation de rentabilité est due :

- A l'accroissement du débit de production de l'unité,
- Au traitement de bruts moins chers,
- A l'accroissement du rendement en essence,
- A la réduction des émissions.

 

L'enrichissement en oxygène est généralement mis en œuvre pour surmonter une limitation du brûlage de coke dans le régénérateur. L'oxygène est utilisé lorsque certains équipements limitent la quantité d'air nécessaire pour brûler le coke à partir du catalyseur épuisé. L'enrichissement en oxygène peut aider à surmonter cela en améliorant les performances de certains équipements et les conditions du procédé, par exemple :

- Limitation de la soufflante d'air de combustion,
- Distribution d'air,
- Vitesse superficielle,
- Vitesse du cyclone d'entrée,
- Coke sur catalyseur régénéré, et
- Combustion incomplète (destruction du monoxyde de carbone).

 

Une évaluation soigneuse du matériel de la FCCU va déterminer la quantité d'oxygène requise pour atteindre les objectifs du raffineur. La quantité maximale d'oxygène pouvant être appliquée est en général conditionnée par les limitations de température sur les régénérateurs hauts, la vitesse superficielle sur les équipements aval, comme par exemple la capacité de la colonne de fractionnement principale, le compresseur de gaz humide ou l'unité de récupération de gaz.

Notre logiciel de simulation exclusif peut fournir une estimation des bénéfices potentiels et limitations sur vos unités. Une fois calibré, le modèle peut être utilisé pour estimer le niveau d'oxygène requis afin d'optimiser les bénéfices pour le raffineur. La quantité d'oxygène requise donnera également l'indication du mode de distribution qui conviendra le mieux à l'application.

Les avantages pour le procédé du raffineur dépendent des conditions évoquées ci-dessus ainsi que des contraintes d'équipement sur l'unité. Nos clients signalent des bénéfices dans une fourchette de 4000 à 25 000 dollars par jour. Contactez-nous pour une évaluation des avantages que présenterait un enrichissement en oxygène sur votre site. Nous pourrons également vous parler des études de cas existantes ainsi que de certaines nouvelles technologies que nous sommes en train de développer.

 

• Enrichissement en oxygène sur SRU

Les technologies mettant en œuvre l'oxygène pour accroître la capacité des unités de récupération de soufre (SRU) Claus ou pour développer la capacité d'effacement de crête sur les nouvelles unités sont désormais largement répandues dans l'industrie du raffinage. L'utilisation d'oxygène dans les SRU apporte bien plus que des avantages en termes de capacité, elle peut augmenter le rendement de combustion du four et, dans certains cas, le rendement global de récupération de soufre de toute l'installation. Si la raffinerie traite du gaz sulfuré de rectification à l'eau contenant de l'ammoniac, les SRU sont souvent confrontées à des problèmes de formation de sels d'ammonium et de colmatage des équipements d'échange thermique par ces mêmes sels. L'utilisation d'oxygène peut aider à promouvoir la destruction de l'ammoniac et faire en sorte que la formation de sels d'ammonium soit minimisée. L'oxygène peut également aider à la combustion des matières premières à base de gaz acide pauvre.

 

Enrichissement en oxygène jusqu'à 28 % en volume

L'enrichissement en oxygène implique de mélanger un courant riche en oxygène dans une conduite d'air de combustion de manière à enrichir le courant d'air jusqu'à un maximum de 28 % en volume. Le système est assez peu coûteux ; il nécessite généralement un équipement d'alimentation en oxygène, un skid de régulation, une canne d'injection (Oxynator™ d'Air Liquide) et la tuyauterie associée. La plupart du temps, l'enrichissement peut être mis en œuvre sans avoir à modifier le brûleur existant. L'accroissement de capacité qui peut être obtenu grâce à l'enrichissement en oxygène se situe dans la plage de 25 à 30 %. Le système peut être appliqué pratiquement sur n'importe quelle SRU. Nos références indiquent qu'aucune modification n'est requise en aval du four. Si une extension au-delà de 30 % est requise, il faut envisager de procéder à une analyse détaillée de tous les équipements des unités de soufre et de gaz de queue. Chez Air Liquide, nous travaillons avec des cabinets d'ingénierie qualifiés pour la mise en œuvre de tels projets.

Avec l'enrichissement en oxygène, l'installation peut se faire sans interrompre le moins du monde le fonctionnement de la SRU. La conduite d'air peut être percée à chaud entre deux rotations ou à froid lors d'une rotation préalable. L'Oxynator™ peut être mis en place à tout moment à travers une vanne à passage intégral qui aura été dimensionnée pour l'appareil. Le skid de régulation du débit d'oxygène et le système d'alimentation peuvent être installés avant tout changement de procédé sur l'unité. Une fois que tous les équipements sont en place, l'oxygène peut être introduit dans la SRU pour améliorer ses performances.

 

Enrichissement en oxygène supérieur à 28 % en volume et destruction de l'ammoniac

Chez Air Liquide, nous avons développé un brûleur exclusif (l'Oxyburner™) pour aider les raffineurs à détruire complètement l'ammoniac des charges d'alimentation de leurs SRU. Ce brûleur autorise un enrichissement en oxygène supérieur à 28 %, jusqu'à une concentration de 100 % pour accroître la capacité de la SRU et assurer la destruction de l'ammoniac avec une efficacité moyenne de 7:1 sur l'air. Ce brûleur se monte facilement en rétrofitting sur les fours des SRU existantes.

 

• SAROX, l'enrichissement en oxygène pour les unités de régénération d'acide sulfurique

 Depuis le début des années 1980, l'utilisation de l'oxygène s'est largement répandue pour accroître la capacité, réduire les émissions et augmenter les profits des procédés industriels à base d'air. On a eu recours à l'oxygène afin de surmonter les limitations des équipements existants, réduire les volumes de gaz de cheminée et augmenter les conversions de réaction.

L'enrichissement en oxygène des SAR (Sulfuric Acid Regenerators ou régénérateurs d'acide sulfurique) présente des avantages pour accroître le débit de production d'acide d'un four de régénérateur, augmenter la conversion de dioxyde de soufre (SO₂) et réduire les émissions dans le convertisseur. Ces avantages se traduisent par une augmentation de la capacité de l'unité au prix d'un investissement minime, une réduction des capitaux requis pour une nouvelle unité SAR et des émissions en baisse.

Air Liquide a développé et validé ses propres technologies au travers de références industrielles, ce qui nous a permis de déterminer l'utilisation optimale d'oxygène dans l'application susmentionnée. Depuis l'effacement de crêtes intermittentes jusqu'au doublement de capacité des unités fonctionnant à l'air, la technologie SAROX™ se justifie en général (partiellement ou en totalité) par ses économies de combustible. SAROX™ peut être utilisé dans les procédés à simple et double adsorption.

Le procédé SAROX™ nécessite en général plusieurs brûleurs oxycombustibles sur le four de combustion. On met en œuvre la dynamique des fluides numérique pour déterminer le placement des brûleurs, déterminer la distribution des temps de séjour, identifier les points chauds et améliorer le transfert thermique au sein du four.

 

• Exploitation et simulation oxycombustible

L'enrichissement en oxygène consiste à combiner un flux d'oxygène concentré avec un flux d'air. Le flux d'oxygène pénètre dans la conduite d'air à travers une canne d'injection ou un dispositif mélangeur. Celui-ci se situe généralement en amont de l'appareillage de combustion. La canne d'injection Oxynator™ (brevet Air Liquide) permet de combiner l'oxygène pur à l'air de combustion en toute sécurité. L'Oxynator™ est une canne de type tourbillonnaire, qui introduit l'oxygène au centre de la conduite d'air et imprime un mouvement tourbillonnaire afin que le mélange entre l'oxygène et l'air s'effectue. L'Oxynator™ est conçu sur mesures pour chaque application. Il peut être installé sur un réseau de conduites d'air propre ou potentiellement contaminé (par des hydrocarbures). La conception de la canne doit suivre deux directives strictes : minimiser la longueur de mélange et éviter les fortes concentrations d'oxygène à proximité de la paroi des tuyaux.

La concentration maximale admissible d'oxygène de 28 % en volume constituera la limite supérieure de mélange d'oxygène dans une tuyauterie non réservée au service oxygène. Les plans visant à aller au-delà de cette limite devront être évalués au cas par cas. La limite d'oxygène a pour but de prévenir toute situation dangereuse liée à la présence d’hydrocarbures inflammables. L'Oxynator™ garantit un mélange homogène de l'air et de l'oxygène dans la conduite.

Quand des concentrations d'oxygène supérieures à 28 % sont requises afin de satisfaire les objectifs du procédé, l'oxygène peut être introduit directement dans le four au moyen d'un injecteur ou d'un brûleur oxycombustible spécialisé. Cette technologie permet l'injection directe d'oxygène dans la zone de combustion sans entrer en contact avec des tuyauteries ou équipements contaminé(e)s. L'injection d'oxygène est alors limitée par les contraintes de température de combustion ou de capacité aval.

 

• Simulation Air Liquide

Air Liquide fournit des brûleurs et des injecteurs pour diverses applications de four. Notre capacité de modélisation des procédés et de l'écoulement des fluides autorise un placement optimal des brûleurs en vue de maximiser les rendements et d'éviter la formation de points chauds. Les codes internes développés pour les FCCU, SRU et régénérateurs d'acide sulfurique ont tous été validés. Les codes disponibles dans le commerce, comme par exemple Aspen et Sulsim, sont également utilisés pour les applications plus générales.

 

• Modélisation de combustion Athena

Athena est un modèle de pointe qui simule les conditions d'un four oxycombustible. Athena permet d'optimiser un procédé avant de modifier le four pour tirer un maximum d'avantages de l'oxycombustion. La modélisation Athena fait appel à la mécanique des fluides numérique (CFD) en 3D et à un code de transfert thermique qui calcule l'effet de la combustion et du rayonnement dans les milieux participants. Air Liquide utilise Athena conjointement à d'autres codes disponibles dans le commerce pour simuler les procédés. Les solutions basées sur Athena se présentent sous la forme de cartes 3D en couleur qui détaillent les paramètres importants tels que les températures localisées du réfractaire, les températures de l'atmosphère de combustion, les points chauds et froids, les écoulements laminaires, la distribution des temps de séjour du gaz, les champs de vitesse du gaz, la pression et la concentration des divers constituants.

 

Les avantages apportés par ces outils de simulation sont les suivants :

- Economies sur les coûts d'investissement et d'exploitation,
- Maîtrise de la pollution (NOx, CO et particules),
- Amélioration des transferts thermiques et de la conversion de réaction, et
- Amélioration de la stabilité de la flamme.

 

• Cogénération en raffineries

La cogénération d'électricité et de vapeur peut aider les raffineurs à se conformer aux nouvelles réglementations quant aux limites de NOx et SOx. Il arrive que les raffineries fonctionnent avec de vieilles chaudières à fioul nécessitant beaucoup de maintenance et de surveillance. Les unités de cogénération peuvent conférer une certaine indépendance par rapport à la grille tarifaire de l'électricité, si elles sont convenablement conçues et gérées. La cogénération est supérieure aux systèmes séparés de chaudières et production d'électricité par turbines à vapeur grâce à des rendements supérieurs, ce qui se traduit par moins d'émissions et de rejets de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Air Liquide possède et exploite une capacité de production d'électricité par cogénération supérieure à 1400 MW. Les nouveaux projets dont la mise en route est prévue à brève échéance porteront cette capacité à 2000 MW. Nous possédons l'expertise du développement, de l'intégration, de la conception, de la mise en œuvre et de l'exploitation des systèmes de cogénération. Nous pouvons également assurer la gestion de l'ingénierie et de la construction en interne, de même que la mise de fonds ou le financement de projets.

 

Air Liquide peut aider le raffineur à réévaluer et exploiter ses systèmes d'utilités. Nous nous focalisons sur l'amélioration de leur fiabilité dans les secteurs suivants :

- Eau déminéralisée,
- Eau de procédé,
- Gaz industriels,
- Traitement d'eau industrielle,
- Vapeur de procédé industriel,
- Exploitation et maintenance des installations,
- Gestion de l'électricité,
- Gestion de l'approvisionnement en combustible,
- Développement des installations.